基于無(wú)人機(jī)影像技術(shù)的小麥長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)

鄭復(fù)承

(三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

前言

小麥在我國(guó)糧食消費(fèi)總量中占據(jù)較大的比重，受耕地面積減少、氣候環(huán)境復(fù)雜及需求量增加的影響，小麥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的任務(wù)更加艱巨。小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和高質(zhì)量具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)大多依靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、人工采樣和生化分析等手段進(jìn)行，監(jiān)測(cè)效率低、監(jiān)測(cè)范圍有限，還需要投入大量的人力物力，且長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)存在一定的滯后性和破壞性。在信息化時(shí)代發(fā)展中，對(duì)小麥生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化管理監(jiān)測(cè)是保證小麥產(chǎn)量的重要保障。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新研發(fā)，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)小麥長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)，大幅度加強(qiáng)小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)工作效率與質(zhì)量。

1 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)概述

1.1 無(wú)人機(jī)類(lèi)型與特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)中常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)類(lèi)型主要包括固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)與無(wú)人直升機(jī)3種。固定翼無(wú)人機(jī)是指通過(guò)動(dòng)力裝置產(chǎn)生推動(dòng)力或前進(jìn)力，固定機(jī)翼生成上升力確保無(wú)人機(jī)能夠在空中順利航行的航空裝置，具有工作效率高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、航行速度快等特點(diǎn)，但是固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)起飛降落要求相對(duì)較高，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行空中懸停作業(yè)，在快速航攝過(guò)程中容易出現(xiàn)影像模糊問(wèn)題。多旋翼無(wú)人機(jī)是指擁有3個(gè)軸以上的旋翼無(wú)人機(jī)，具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠懸停作業(yè)、起飛降落要求較低以及利用GPS航攝等優(yōu)點(diǎn)，但是多旋翼無(wú)人機(jī)飛行速度相對(duì)較慢，同時(shí)存在載荷能力弱與續(xù)航時(shí)間短的缺點(diǎn)[1]。多旋翼無(wú)人機(jī)是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的無(wú)人機(jī)類(lèi)型，能夠依據(jù)航攝需求與場(chǎng)地環(huán)境等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。無(wú)人直升機(jī)是指具有單旋翼和尾部螺旋槳的直升機(jī)，其對(duì)起降場(chǎng)地環(huán)境要求相對(duì)較低，能夠進(jìn)行空中懸停作業(yè)，具有載荷能力強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間久的特點(diǎn)，但是無(wú)人直升機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用維護(hù)成本較高，同時(shí)需要操作人員具有較高的專(zhuān)業(yè)能力，因此在農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)工作中極少運(yùn)用。

1.2 傳感器類(lèi)型與特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)中搭載的傳感裝置主要有5種，即高清相機(jī)、熱成像相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜成像裝置以及激光雷達(dá)。高清相機(jī)擁有體積小、價(jià)格低廉、影像分辨率高以及整體重量較輕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效獲取到分辨率較高的RGB影像信息，通過(guò)分析研究影像信息能夠快速了解到作物長(zhǎng)勢(shì)。高清相機(jī)對(duì)天氣環(huán)境要求較低，能夠在陰天條件下正常工作，是精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的重要研究對(duì)象。熱成像相機(jī)是指通過(guò)發(fā)射紅外線對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行探測(cè)監(jiān)測(cè)，具有影像精度高、成像速度快、反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，熱成像相機(jī)主要應(yīng)用在作物冠層溫度監(jiān)測(cè)工作中，冠層溫度能夠間接反映出作物長(zhǎng)勢(shì)與蒸騰信息。多光譜相機(jī)具有多個(gè)波段通道，與普通高清相機(jī)相比能夠?qū)ψ饔瞄L(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量以及營(yíng)養(yǎng)情況等作物性狀進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與診斷。高光譜成像裝置是指利用波段較窄的電磁波監(jiān)測(cè)作物以獲取作物光譜信息，從而幫助農(nóng)業(yè)人員對(duì)作物葉綠素含量、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、水含量、蛋白質(zhì)含量以及葉片面積等信息進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷。但是高光譜成像裝置會(huì)隨著分辨率的提升而出現(xiàn)冗余現(xiàn)象和噪聲干擾等問(wèn)題，增加數(shù)據(jù)信息分析處理難度[2]。激光雷達(dá)能夠快速獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)表面模型信息，擁有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)。但是，激光雷達(dá)成本相對(duì)較高，操作流程相對(duì)復(fù)雜，主要應(yīng)用于森林資源與自然環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極少應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)小麥長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

2.1 小麥葉綠素含量監(jiān)測(cè)

葉綠素是小麥吸收與利用太陽(yáng)能的重要載體，小麥葉片中的葉綠素含量與小麥光合能力緊密相連，小麥葉綠素含量能夠直接反映出氮素營(yíng)養(yǎng)狀況與光合作用能力，在小麥生長(zhǎng)過(guò)程中常用于評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)情況與逆環(huán)境中的傷害程度。胡蘿卜素、葉綠素a和葉綠素b等會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，因此，通過(guò)對(duì)小麥冠層反射光譜進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)能夠在一定程度上監(jiān)測(cè)到小麥葉綠素含量與具體組成情況[3]。現(xiàn)階段的小麥葉綠素含量監(jiān)測(cè)工作主要是指建立作物指數(shù)與葉綠素含量之間的回歸關(guān)系或冠層光譜參數(shù)。如，為研究水澆地環(huán)境與干旱地環(huán)境中小麥生長(zhǎng)期間葉片葉綠素含量的變化規(guī)律，可以利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)小麥拔節(jié)期間光譜影像信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取，通過(guò)提取4個(gè)不同波段下的小麥冠層光譜影像，從中選取與SPAD值(葉綠素相對(duì)含量)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的7項(xiàng)作物指標(biāo)，建立作物指數(shù)與SPAD值的一元線性回歸模型與多元模型。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)模型的分析驗(yàn)證能夠?qū)π←湴喂?jié)期間葉綠素含量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判，從而幫助農(nóng)業(yè)人員了解小麥在田間環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)情況，大幅度加強(qiáng)農(nóng)業(yè)管理效率與精準(zhǔn)性。

2.2 小麥葉面積指數(shù)監(jiān)測(cè)

小麥葉面積指數(shù)是評(píng)價(jià)小麥長(zhǎng)勢(shì)、預(yù)測(cè)小麥產(chǎn)量的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)之一，與小麥光能利用率息息相關(guān)，不同的葉面積指數(shù)對(duì)應(yīng)不同的光反射率。在使用無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以依據(jù)實(shí)際需求搭載高光譜、紅外線、熱成像、可見(jiàn)光等不同種類(lèi)相機(jī)[4]。如，可以利用無(wú)人機(jī)搭載高光譜相機(jī)對(duì)小麥生長(zhǎng)期間進(jìn)行光譜參數(shù)測(cè)定，進(jìn)而分析作物指數(shù)與葉面積指數(shù)、Hcsm之間的關(guān)聯(lián)性，從而選擇出最佳作物指數(shù)，并構(gòu)建單個(gè)參數(shù)的葉面積指數(shù)線性關(guān)系模型，最終提高葉面積指數(shù)的預(yù)判估算精確度。

2.3 小麥葉片生物量監(jiān)測(cè)

小麥葉片生物量能夠直觀反映出小麥的實(shí)際生長(zhǎng)情況，與葉片光能利用率和產(chǎn)量息息相關(guān)，是小麥作物十分重要的生理參數(shù)，能夠有效監(jiān)測(cè)小麥生長(zhǎng)趨勢(shì)，方便農(nóng)業(yè)人員預(yù)測(cè)小麥產(chǎn)量。傳統(tǒng)模式中的生物量測(cè)定主要選用破壞性采樣方法，時(shí)效性相對(duì)較差。而利用無(wú)人機(jī)技術(shù)搭載高光譜相機(jī)的遙感監(jiān)測(cè)方法具有數(shù)據(jù)信息量大、信息時(shí)效性強(qiáng)、光譜分辨率良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)π←溔后w長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)，從而加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)化。如，在利用高光譜相機(jī)獲取小麥作物光譜數(shù)據(jù)信息后，可以通過(guò)歸一化作物指數(shù)對(duì)小麥開(kāi)花期間的生物量進(jìn)行精準(zhǔn)估算，同時(shí)能夠利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)小麥生物量預(yù)判精準(zhǔn)性進(jìn)行有效加強(qiáng)。此外，可以利用紅邊三角作物指數(shù)對(duì)小麥冠層生物量進(jìn)行有效估算。

2.4 小麥氮素含量監(jiān)測(cè)

氮元素是小麥生長(zhǎng)發(fā)育期間必需的主要元素之一，如果氮素含量缺少，會(huì)直接影響到作物生長(zhǎng)情況，如出現(xiàn)生長(zhǎng)速度降低、長(zhǎng)勢(shì)不良等現(xiàn)象；氮素過(guò)量則會(huì)導(dǎo)致作物出現(xiàn)晚熟、作物質(zhì)量下降等問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)小麥長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，能夠有效監(jiān)測(cè)控制小麥氮素含量情況，幫助農(nóng)業(yè)人員及時(shí)獲得小麥長(zhǎng)勢(shì)情況與營(yíng)養(yǎng)信息，同時(shí)將小麥長(zhǎng)勢(shì)信息與時(shí)間因素相結(jié)合，為制定小麥養(yǎng)分優(yōu)質(zhì)栽培提供真實(shí)數(shù)據(jù)信息，以提升小麥氮素含量監(jiān)測(cè)的精確性與時(shí)效性。高光譜相機(jī)具有影像分辨率高和信息儲(chǔ)存量大的優(yōu)點(diǎn)，有效改善了傳統(tǒng)人工破壞采樣方法中存在的局限性和缺乏實(shí)效性的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥作物進(jìn)行無(wú)損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)小麥品種在不同施氮情況下小麥葉片氮含量與冠層高光譜信息數(shù)據(jù)的測(cè)定分析，能夠探究出二者之間存在的參數(shù)關(guān)系，最終能夠確定給予紅邊面積構(gòu)建小麥氮含量監(jiān)測(cè)模型具有良好的預(yù)估精確度，紅邊參數(shù)能夠有效反映出小麥氮素營(yíng)養(yǎng)情況[5]。可以利用多光譜相機(jī)對(duì)小麥生長(zhǎng)期間進(jìn)行影像監(jiān)測(cè)，依據(jù)影像信息構(gòu)建小麥不同生長(zhǎng)階段氮素含量指數(shù)的數(shù)據(jù)模型，從而能夠得出最終結(jié)論，幫助農(nóng)業(yè)人員掌握小麥實(shí)際長(zhǎng)勢(shì)。利用壁紙光譜指數(shù)構(gòu)建的小麥氮素含量模型能夠有效提升模型數(shù)據(jù)精確度與穩(wěn)定度。此外，利用反演模型檢測(cè)技術(shù)同樣能夠提升小麥氮素含量監(jiān)測(cè)精確度，從而為農(nóng)業(yè)人員對(duì)小麥生長(zhǎng)情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)提供理論基礎(chǔ)，推動(dòng)精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。

2.5 小麥產(chǎn)量監(jiān)測(cè)

農(nóng)作物的實(shí)際產(chǎn)量是我國(guó)開(kāi)展農(nóng)業(yè)相關(guān)政策制定與平衡糧食供需關(guān)系的重要依據(jù)，直接影響到國(guó)家安全與社會(huì)穩(wěn)定問(wèn)題。而無(wú)人機(jī)影像技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取較大區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作物信息，且信息數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性與時(shí)效性，對(duì)相關(guān)部門(mén)開(kāi)展農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、宏觀調(diào)控、政策制定等具有重要的積極作用。隨著無(wú)人機(jī)影像技術(shù)的快速發(fā)展，在對(duì)小麥產(chǎn)量進(jìn)行研究分析時(shí)，可以利用無(wú)人機(jī)搭載高光譜相機(jī)獲取農(nóng)田小麥實(shí)際長(zhǎng)勢(shì)情況，通過(guò)對(duì)高光譜反射率信息的研究分析，最終能夠明確小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)的敏感光譜圖像以及不同條件下的作物指數(shù)；利用無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)不同生長(zhǎng)階段的小麥進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，構(gòu)建不同種類(lèi)小麥產(chǎn)量實(shí)測(cè)線性模型，從而明確不同生長(zhǎng)階段的小麥產(chǎn)量反演模型的精確度；利用作物水分指數(shù)、光合作用化學(xué)反射指數(shù)等作物指數(shù)預(yù)測(cè)小麥單產(chǎn)水平；利用小麥氮素含量指數(shù)將作物指數(shù)與小麥產(chǎn)量有效連接，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而構(gòu)建出小麥實(shí)際籽粒產(chǎn)量的預(yù)估模型；在小麥抽穗開(kāi)花后運(yùn)用歸一化作物覆蓋指數(shù)對(duì)小麥實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

2.6 小麥長(zhǎng)勢(shì)品質(zhì)監(jiān)測(cè)

依據(jù)實(shí)際使用目的的差異可以將小麥品質(zhì)劃分成不同品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如安全品質(zhì)、食味品質(zhì)、加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)以及衛(wèi)生品質(zhì)等。物質(zhì)會(huì)在不同力的作用下出現(xiàn)不同的反射特征，這些特征能夠間接反映出物質(zhì)內(nèi)部成分與結(jié)構(gòu)組成信息等。利用無(wú)人機(jī)影像技術(shù)對(duì)小麥品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)主要通過(guò)對(duì)小麥冠層進(jìn)行光譜成像，在光譜影像中尋找和籽粒蛋白質(zhì)相關(guān)的信息指標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型對(duì)小麥品質(zhì)進(jìn)行預(yù)估，具體的預(yù)估時(shí)間需要依據(jù)小麥生長(zhǎng)情況與品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確。在田間小麥生長(zhǎng)發(fā)育后期，葉片全氮含量指數(shù)與小麥籽粒品質(zhì)具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此，可以用小麥生長(zhǎng)后期葉片全氮含量反映小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與面筋情況[6]。如，通過(guò)無(wú)人機(jī)影像技術(shù)獲取小麥近地光譜信息，對(duì)小麥抽穗后冠層作物指數(shù)進(jìn)行研究分析，從而找到其與小麥籽粒蛋白質(zhì)和小麥淀粉含量之間的指數(shù)關(guān)系。

3 無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展

現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)影像技術(shù)雖然在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中取得較大程度的推廣應(yīng)用，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，但是依然存在不足之處，如載荷能力較弱、安裝流程復(fù)雜、裝置成本價(jià)格高、穩(wěn)定性較弱等問(wèn)題，在后期影像信息處理時(shí)也相對(duì)欠缺，缺乏足夠標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)規(guī)定，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)影像技術(shù)實(shí)用性出現(xiàn)降低現(xiàn)象。除此之外，工作人員在開(kāi)展無(wú)人機(jī)航攝前需要提前向相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)無(wú)人機(jī)攝影飛行，審批流程相對(duì)復(fù)雜，審批周期時(shí)間較長(zhǎng)，再加上低空飛行管制較為嚴(yán)格，國(guó)家相關(guān)管理制度與法律規(guī)定還存在一定的欠缺之處，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到一定程度的制約。未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)無(wú)人機(jī)影像技術(shù)研發(fā)力度，政府部門(mén)要對(duì)相關(guān)規(guī)定與監(jiān)管制度進(jìn)行完善優(yōu)化，同時(shí)降低無(wú)人機(jī)航攝飛行成本，以此為無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展中提供技術(shù)保障[7,8]。目前，無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中的遙感模型大多是依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行，隨著地理區(qū)域、天氣環(huán)境和應(yīng)用尺度等發(fā)生變化，適用性與數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性可能會(huì)受到一定程度影響。在未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)遙感模型的適應(yīng)能力，確保其能夠在不同天氣環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境中進(jìn)行小麥長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)評(píng)估，從而加快我國(guó)精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)建設(shè)進(jìn)程。

4 結(jié)論

無(wú)人機(jī)影像技術(shù)在精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要地位，在小麥長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式相比擁有靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性好、時(shí)效性高等特點(diǎn)，能夠幫助工作人員及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)了解小麥長(zhǎng)勢(shì)情況，極大程度提高了小麥生產(chǎn)質(zhì)量與農(nóng)業(yè)管理效率，從而促進(jìn)我國(guó)小麥產(chǎn)量與質(zhì)量的全面進(jìn)步。